四轴飞行器是一种可垂直起降的无人机,具有适应性强、成本较低、结构新颖、操作灵活等优点。目前已广泛应用在农业、航拍、巡检、军事等领域。由于四轴飞行器的特殊结构,使其系统本身具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和时变等复杂特性,因此,四轴飞行器的建模和控制成为近年来研究的热点。本文在总结和分析国内外四轴飞行器控制系统的研究现状后,从姿态检测系统、平衡控制系统、无线通讯系统和飞行动力系统对飞行器进行了设计与研究。文中对四轴飞行器的系统构成和飞行原理进行了分析和详细介绍,运用空气动力学原理建立了飞行器的动力学数学模型。文中通过对卡尔曼滤波和互补滤波算法作了分析和比较,采用了互补滤波算法对惯性传感器采集到的数据进行融合处理,得到了实时、稳定的姿态角度信息。根据获得的姿态解算策略,文中设计了变论域模糊的PID控制器,通过在MATLAB仿真工具箱中进行了仿真实验,对其控制性能进行了对比。根据仿真结果,文中选用具有浮点运算能力的STM32系列微处理器作为四轴飞控系统的计算中心,选用惯性传感器MPU9250完成姿态检测与数据采集,选用NRF24L01作为无线通讯模块,选用商用的直流无刷电机作为动力系统,设计了飞行器控制板,搭建了四轴飞行器实验平台,并将提出的姿态解算方法及变论域模糊的PID控制策略移植到设计的飞控系统中,并对其进行了室内外的飞行测试。结果表明,所设计的飞控系统能够完成各种飞行动作且具有较强的抗干扰能力,基本上能够满足四轴飞行器对控制系统的要求。